Vodík: zdroj zelené energie v budoucnosti? Understand article

Preložila Zdena Tejkalová. Vodík může být palivem budoucnosti, ale jak ho dokážeme vyrábět udržitelně? Karin Willquist vysvětluje.

Obrázok so súhlasom janeff /
iStockphoto

Vodík bývá nazýván „energetickým zdrojem budoucnosti“ – protože může být oxidován v palivových článcích pro výrobu elektřiny, například k pohonu aut, aniž by se uvolňoval oxid uhličitý (CO2) a lze ho vyrábět i ve vzdálených lokalitách bez elektrické infrastruktury. Na rozdíl od dostupných zdrojů, jako je zemní plyn či benzín, vodík musí být vyráběn, což z něj činí zdroj energie a ne palivo.

Energetický systém, ve kterém je vodík využíván k získávání energie – vodíková ekonomie – byl navržen Johnem Bockrisem v roce 1970; v roce 1977 vznikla realizační mezinárodní vodíková dohodaw1.

Vodík je v současnosti využíván spíše jako chemická reagencie, než jako energetický zdroj, ale není pochyb o tom, že má potenciál změnit naší dopravu a energetický systém. Ovšem, využití tohoto potenciálu není snadné. Většina aktuálně využívaných paliv jsou kapaliny, pevné látky nebo plyny s vysokým poměrem energie na objem (energetická hustota). Naproti tomu vodík má nízkou energetickou hustotu: za určitého tlaku spálením jednoho litru vodíku získáme třetinu energie vzniklé spálením litru metanu. Problémy, spojené se skladováním, distribucí a využíváním se zabývají vědci (Schlapbach & Züttel, 2001)w2. Zásadnějším problémem je ale výroba vodíku udržitelným způsobem. To je to, na co se zde chci soustředit.

Způsoby produkce vodíku

Jeden z londýnských
autobusů poháněný
vodíkovým palivovým
článkem

Obrázok so súhlasom Felix O;
zdroj obrázku: Flickr

Vodík je běžně se vyskytující prvek na zemském povrchu, obvykle vázaný na uhlík v karbohydrátech (v rostlinách) nebo na kyslík ve vodě (H2O). Plynný vodík (H2) existuje na Zemi pouze v malém množství. Jedna z výzev udržitelné produkce vodíku je možnost jeho uvolňování z vazeb s uhlíkem a kyslíkem.

V současnosti je vodík vyráběn převážně z fosilních paliv (např. zemního plynu) parní reformací: ohříváním paliv na vysoké teploty s vodouw2:

CH4 + H2O → CO + 3H2                                              (1)

CO + H2O → CO2 + H2                                                (2)

Jenže, tato metoda spoléhá na fosilní paliva a uvolňuje CO2, čímž vyvolává stejné problémy s emisemi jako spalování fosilních paliv. Parní reformace je udržitelná, pouze pokud jsou využity obnovitelné uhlovodíky, jako třeba bioplyn, protože uvolněný CO2 byl už předtím absorbován při produkci těchto uhlovodíků.

H2 může být vyráběn také elektrolýzouw2, kdy je elektřiny využíváno k rozdělení H2O na H2 a kyslík: :

2H2O → 2H2 + O2                                                       (3)

Přenosná nabíječka
mobilních telefonů z
Powertrekku. Přidejte pouze
vodu a za několik minut
získáte baterii pro váš
mobilní telefon

Obrázok so súhlasom David
Berkowitz; zdroj obrázku:
Flickr

Tato metoda může být udržitelná, pouze pokud elektřina pochází z obnovitelných zdrojů, jako je větrná, přílivová či solární energie. H2 potom může být využíván k uskladnění energie během větrných dnů, kdy větrné mlýny produkují více elektřiny, než může být spotřebováno.

Zajímavé je, že rozklad H2O probíhá přirozeně v oceánech, kde mikroskopické řasy a sinice využívají solární energii v procesu nazývaném biofotolýza (Rovnice 3). Nicméně produkce H2 je extrémně pomalá.

Byla podniknuta snaha o zvýšení reakční rychlosti za kontrolovaných podmínek s využitím modifikovaných mikroorganismů, ale reakce jsou stále příliš pomalé a drahé na to, aby mohly být reálným zdrojem H2 v blízké době (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

Na závěr, biovodík může být vyráběn z plodin a z průmyslového, lesního a zemědělského odpadu pomocí bakterií. Podobně jako my, tyto bakterie oxidují rostlinný materiál jako zdroj energie, ale na rozdíl od nás, ony žijí v anaerobním prostředí (bez kyslíku). V aerobním dýchání my využíváme O2 k oxidaci sacharidů, např.

C6H12O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O                            (4)

Oproti tomu tyto anaerobní bakterie k maximální oxidaci substrátu, a tím k optimalizaci jejich energetického zisku, redukují protony, uvolněné během substrátové oxidace, na H2 (Rovnice 6, dole).

Obrázek 1: Bakterie C.
saccharolyticus
pod
elektronovým mikroskopem

Obrázok so súhlasom Harald
Kirsebom

Horké bakterie

Během svého PhD jsem zkoumala schopnosti produkovat vodík u jedné z těchto bakterií Caldicellulosiruptor saccharolyticus (Obrázek 1), která žije v horkých pramenech: anaerobní prostředí v 70 °C s nízkým množstvím dostupných karbohydrátů. Tato bakterie je mimořádně zajímavá, protože je dvakrát výkonnější než většina bakterií využívaných k produkci H2.

Na rozdíl od lidí, C. saccharolyticus získává energii ze širokého spektra rostlinných stavebních látek, nejen glukózy, ale také například z xylózy (Willquist et al., 2010).

To bakteriím umožňuje výrobu H2 z odpadu ze zpracování brambor, cukru či mrkve, stejně tak i z průmyslového odpadu z výroby papíru a celulózy, nebo ze zemědělského odpadu, jako třeba ze slámy.

Toto je velmi slibný začátek, nicméně i C. saccharolyticus uvolňuje pouze 33% potenciálního množství H2, který by mohl být ze substrátu získán. Rovnice 5 ukazuje možnou kompletní oxidaci glukózy, kdy se uvolní 12H2 na jednu molekulu glukózy. Rovnice 6 znázorňuje temnostní fermentaci u C. saccharolyticus, kde se uvolní pouze 4H2 (33%) na jednu molekulu glukózy. Zbytek energie je uvolněn ve formě acetátu (CH3COOH).

Úplná konverze glukózy na H2: C6H12O6 + 6H2O → 12H2 + 6CO2       (5)

Temnostní fermentace: C6H12O6 + 2H2O → 4H2 + 2CO2 + 2CH3COOH           (6)

K uvolnění zbytku H2 z acetátu je třeba mimořádné energie. Alternativně, metan (CH4) – který může být parně reformován za uvolnění H2 (Rovnice 1 a 2) – může být generován z acetátu. Naštěstí pro toto uvolnění existují tři slibné cesty (Obrázek 2).

Obrázek 2: Produkce biovodíku z odpadu. Odpad je rozložen a oxidován C. saccharolyticus na H2 a acetát. Acetát je převeden na metan (CH4)anaerobním trávením (3) nebo na vodík v mikrobiálním palivovém článku (2) nebo fotofermentací (1). Uvolněný CO2 je spotřebováván substrátem, což činí tento proces CO2-neutrálním
Obrázky so súhlasom Holger / pixelio.de (odpad), Michael Cavén (továrna na papír), Keith Bryant (trees), Marcel Verhaart (C. saccharolyticus), Jakub Gebicki (fotobioreaktor), Gokce Avcioglu, METU Biohydrogen Research Lab, Turkey (anaerobní trávicí reaktor) a Karin Willquist (mikrobiální palivový článek)
  1. Využitím slunečního záření k převedení acetátu na H2 fotofermentační bakterií (Rovnice 7)w3. Ovšem, podobně jako produkce s pomocí řas, je proces příliš pomalý a drahý na to, aby se mohl být v blízké budoucnosti komerčně realizován (Hallenbeck & Ghosh, 2009).

    2CH3COOH + 4H2O → 8H2 + 4CO2                                 (7)
     

  2. Využitím elektřiny zrychlit přeměnu acetátu na H2 v mikrobiálním palivovém článku se se směsí bakteriálních druhů (Rovnice 7)w4. Tento koncept je velmi elegantní, ale jeho využití je v současnosti limitováno nízkou produktivitou (Hallenbeck & Gush, 2009). (Pokud chcete zjistit, jak si sestavit vlastní mikrobiální palivový článek, hledejte zde Madden, 2010.)
     
  3. Využitím producentů metanu (Archaea) k trávení acetátu a následné produkci metanu (Rovnice 8) Kombinace temnostní fermentace (Rovnice 6) a produkce metanu je známa jako proces hythane (hydrogen + methane), který může přeměnit zhruba 90% výchozího substrátu na H2 a metan.

    CH3COOH → CH4 + CO2                                                (8)

    Z metanu může být následnou parní reformací uvolněn H2.

Hyundai ix35 FCEV, poháněný
vodíkovým palivovým
článkem

Obrázok so súhlasom
Bull-Doser; zdroj obrázku:
Wikimedia Commons

Podívejme se na proces hythane zblízka: pokud čtyři lidé v domě jedí 10 kg brambor každý měsíc, jejich odpad by mohl pokrýt 0.5% jejich měsíčních energetických nároků (3500 KWh), za předpokladu, že výroba H2 je přímá (bez energetických ztrát) a dům je vybaven tepelnými a palivovými článkyw5. Více vodíku by se samozřejmě dalo získat z dalšího odpadu – 0.5% je pouze z brambor.

Toto je hrubý odhad potenciálu procesu hythane založený na a) 30% energetické ztrátě při produkci H2 a CH4 (hythane) a b) 30% v následné parní reformaci CH4 na H2. Parní reformace (b) je využívána při výrobě vodíku ze zemního plynu a je to rozvinutá komerční technologie. Produkce hythanu (a) ovšem ještě není tak efektivní, ačkoli výzkum pokračuje ke zvýšení efektivity na 70% (jako v příkladu), což by učinilo produkci biovodíku srovnatelnou s parní reformací fosilních paliv, využívanou k výrobě vodíku.

Ačkoli došlo k pokrokuw6 (viz rámeček), je ještě příliš brzy na spolehlivý časový odhad, kdy by udržitelná výroba H2 mohla pro nás hrát hlavní roli zdroje energie. I když, jak řekl básník Mark Strand: „Budoucnost vždycky začíná teď“.

Výzkum skladování a produkce vodíku

Bezpečné a efektivní skladování vodíku je jednou z hlavních technologických výzev při úvahách o vodíku jako energetickém zdroji. Institut Laue-Langevin (ILL)w7 potvrdil své vedoucí postavení ve výzkumu vodíkové ekonomie používáním neutronové difrakce k monitorování hydrogenační a dehydrogenační reakce v potenciálních materiálech použitelných při skladování vodíku. Pro více informací navštivte web ILLw7.

Výkonné rentgenové paprsky Evropského synchrotronového radiačního přístroje (ESRF)w8 nedávno zkoumaly komplexní mechanismus, kterým je vodík produkován enzymy, nazývanými hydrogenázy. Většina těchto enzymů funguje za anaerobních podmínek a v podstatě jsou inhibovány přítomností kyslíku. Hydrogenázy, které si zachovávají aktivitu i za aerobních podmínek jsou v centru pozornosti pro technologie, jako jsou enzymatické palivové články a světlem-řízená produkce vodíku. Německý tým odborníků vyřešil krystalovou strukturu jednoho z těchto enzymů (Fritsch et al., 2011) – možná je to krok směrem k vodíkové ekonomii?

ILL i ESRF jsou členy EIROforumw9, vydavatele Science in School.

 

Download

Download this article as a PDF

References

  • Fritsch J et al. (2011) The crystal structure of an oxygen-tolerant hydrogenase uncovers a novel iron-sulphur centre. Nature 479: 249–252. doi: 10.1038/nature10505
  • Hallenbeck P, Ghosh D (2009) Advances in fermentative biohydrogen production: the way forward? Trends in Biotechnology 27: 287–297. doi: 10.1016/j.tibtech.2009.02.004
  • Madden D (2010) The microbial fuel cell: electricity from yeast. Science in School 14: 32-35. www.scienceinschool.org/2010/issue14/fuelcell
  • Rifkin J (2002) The Hydrogen Economy: the Creation of the Worldwide Energy Web and the Redistribution of Power on Earth. New York, NY, USA: JP Tarker. ISBN: 1585421936
  • Schlapbach L, Züttel A (2001) Hydrogen-storage materials for mobile applications. Nature 414 (6861): 353–358. doi: 10.1038/35104634
  • Willquist K, Zeidan A, van Niel E (2010) Physiological characteristics of the extreme thermophile Caldicellulosiruptor saccharolyticus: an efficient hydrogen cell factory Microbial Cell Factories 9: 89. doi: 10.1186/1475-2859-9-89
  • Microbial Cell Factories je žurnál s volným přístupem, takže článek je zdarma k dispozici.

Web References

  • w1 – Více informací o realizační mezinárodní vodíkové dohodě Mezinárodní energetické agentury najdete zde: http://ieahia.org
  • w2 – Chcete-li se dozvědět více o budoucnosti vodíku, podívejte se na analýzu Josepha Rommse na webových stránkách (www.ecolo.org; onder ‘documents’) nebo přímo přes link: http://tinyurl.com/77dhx8x
    • Podívejte se také na recenzovanou analýzu Joan Ogden Hydrogen as an Energy Carrier: Outlook for 2010, 2030 and 2050 na webových stránkách University of California: http://escholarship.org/uc/item/9563t9tc

  • w3 – Video o uvolňování vodíku z bramborové biomasy s využitím slunečního záření najdete zde: www.biohydrogen.nl/hyvolution
  • w4 – Pro více informací o mikrobiálních palivových článcích jděte na: www.microbialfuelcell.org
  • w5 – Více informací o tepelných a palivových článcích najdete zde: www.fchea.org/index.php?id=57
  • w6 – Nejnovější pokroky na biovodíkové čerpací stanici na Taiwanu najdete na stránkách Focus Taiwan (http://focustaiwan.tw) nebo použijte přímý link: http://tinyurl.com/7jao2tp
  • w7 – ILL je špičkové mezinárodní výzkumné centrum pro neutronové vědy a technologie, leží v Grenoblu, Francie. Více informací zde: www.ill.eu
    • Pro více informací o výzkumu ILL v oblasti vodíkové ekonomie navštivte webové stránky ILL, nebo použijte přímý link: http://tinyurl.com/illhydrogen

  • w8 – ESRF leží ve stejném kampusu jako ILL a obsluhuje většinu výkonných synchrotronových radiačních zařízení v Evropě. Pro více detailů, navštivte: www.esrf.eu
    • Pro více informací o výzkumu ESRF v oblasti skladování vodíku navštivte webové stránky ESRF, nebo použijte přímý link: http://tinyurl.com/87bnj4c

  • w9 – Pokud Vás zajímá více informací o EIROforum, jděte na: www.eiroforum.org

Author(s)

Chemická inženýrka Karin Willquist získala PhD z produkce biovodíku na univerzitě v Lundu, Švédsko. Její výzkumné zájmy zahrnují mikrobiální fyziologii, optimalizaci procesů a další přesahové aktivity. Pracuje na universitě v Lundu, kde využívá počítačové simulace k vylepšení procesu hythane. Také organizuje bioenergetické kurzy pro multidisciplinární bioenergetickou výzkumnou platformu (LUBiofuels) na univerzitě v Lundu. V současnosti pracuje na knize o bioenergetice pro středoškolské studenty.


Review

Po vydání knihy Jeremyho Rifkina o vodíkové ekonomii (2002), je toto téma často řešeno v médiích jako reálná možnost v blízké budoucnosti. Dalším běžný problém vodíku je jeho předpokládaná role jako čistého zdroje energie. V tomto článku Karen Willquist nabízí přehled těchto problémů s výrobou vodíku a probíhající výzkum – včetně její práce – týkající se udržitelných postupů k dosažení tohoto cíle.

Vzhledem k autorčině přímému přístupu je tento článek vhodný pro přírodovědné učitele a starší středoškolské student (věk 14-19), u kterých by měl prohloubit znalost tohoto komplexního tématu. Navíc, jak učitelé, tak student, mohou využít velké množství zdrojů uvedené v seznamu.

Tento článek se hodí do hodin biochemie (dýchání, fermentace a fotosyntéza); fyziky (palivové články, termodynamika: energie a účinnost), environmentální výchovy (zdroje energie, fosilní paliva a obnovitelné zdroje), biologie (řasy, bakterie, sinice a Archaea) a organické chemie (uhlovodíky a parní reformace). Mohl by také poskytnout cenné podklady k přečtení před návštěvou elektrárny či výzkumné laboratoře, zabývající se palivovými články či produkcí, využíváním či skladováním vodíku.

Tento článek může být využit k zahájení diskuze o rozdílech mezi energetickými zdroji; o problémech využívání a skladování vodíku a možném scénáři přechodu naší uhlovodíkové ekonomie na vodíkovou.

Vhodné otázky k porozumění textu:

  1. Který z následujících patří k dýchání, k temnostní fermentaci nebo k oběma?
    • Přítomnost glukózy
    • Přítomnost kyslíku
    • Nepřítomnost kyslíku
  2. Který z následujících není proces zahrnutý v přeměně acetátu na vodík?
    • Temnostní fermentace
    • Využívání elektřiny v mikrobiálních palivových článcích
    • Proces hythane

Giulia Realdon, Itálie




License

CC-BY-NC-ND